[发明专利]一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输或非接触电能传输应用领域，特别涉及一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法。

背景技术

无线电能传输技术能够克服有线输电方式存在的诸多不足，如需要电线连接、电线接头容易产生接触火花、设备移动灵活性差、环境不美观等，因此该技术在电力、家用电子产品、军事、航空航天、城市电气化交通、工业机器人、工矿企业吊装设备和运输设备、水下作业、高层建筑升降式电梯等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。

目前谐振耦合无线电能传输系统必须利用高频功率源供电，大部分要求MHz以上的射频电源，成本高、功率小，且要求功率源与发射线圈和接收线圈三者始终具有相同的工作频率或固有频率。为此，谐振耦合无线电能传输系统存在以下难以克服的问题：1、需要高频开关电源，电源中需要电力电子开关器件或功率放大器件，从而引入开关损耗降低传输效率；2、环境、负载变化时，功率源、发射线圈和接收线圈工作频率或固有频率会发生不同程度的偏移，出现失谐现象，无法实现高效无线电能传输；3、谐振频率较高，可能会引起对周围通信设备的干扰；4、谐振频率与传输功率、效率、耦合系数关系复杂，难以准确控制；5、谐振频率取决于线圈电感和杂散电容，线圈电感和杂散电容与线圈形状、材料密切相关，计算和测量困难。

为此，如何克服上述困难，提出一种新的无线电能传输系统具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，该系统具有构造简单、成本低、功率大、效率高、可靠性高的优点。

本发明还提供了一种基于上述系统的利用铁磁谐振实现无线电能传输的方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统，包括发射端工频交流电源、发射端铁磁谐振器原边线圈、发射端谐振电容、接收端铁磁谐振器副边线圈、接收端谐振电容和接收端负载，发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈耦合连接。

优选的，所述发射端工频交流电源为220V、50Hz的工频单相交流电源。从而可以直接用市电作为此系统的电源，减少了高频电源作为输入电源的成本，提高了传输效率。

优选的，所述铁磁绕组发射端和铁磁绕组接收端都由铜线绕铁磁组成，电感值以能与其他元件产生铁磁共振或混沌振荡为准。

一种基于上述系统的利用铁磁谐振实现无线电能传输的方法，发射端电路与接收端电路均利用铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系产生铁磁共振或混沌振荡，并通过发射端铁磁谐振器原边线圈和接收端铁磁谐振器副边线圈之间的磁耦合实现谐振同步，从而使谐振能够在全频域内实现，实现强耦合无线电能传输。本发明发射端和接收端自激共振或混沌振荡的一致性，从原理上摒除对通信设备的干扰，以达到高效、高功率和远距离无线传输电能的目的。

具体的，设E为单相交流电源，C₁和C₂分别为发射端和接收端的谐振电容，L₁和L₂分别为发射端和接收端的铁磁谐振绕组线圈，r₁和r₂分别为铁磁绕组L₁和L₂铁芯损耗的等值电阻，设原边磁链为ψ₁，电流为i₁，副边磁链为ψ₂，电流为i₂，铁磁材料磁场强度与磁通密度的非线性关系，折算到电流与磁链的关系为：